8강. 대기환경
■ 주요용어의 정리
질소고정 : 식물은 대기로부터 질소를 사용하는데 필요한 효소를 만들 수 없기 때문에 공중질소를 암모니아로 바꾸는 능력이 있는 미생물에 의존해야 한다. 공중질소를 암모니아로 고정하는 것을 질소고정이라 한다.
질화작용 : 토양에서 질소고정세균에 의해 생성된 암모늄화합물 은 아질산염으로, 다음에는 질산염으로 바뀐다. 이러 한 작용을 질화작용이라 한다. 식물은 아질산염과 질 산염을 흡수할 수 있다.
온실효과 : 온실에서 일어나는 현상이 지구에서도 일어나는데 이 를 온실효과라고 한다. 태양의 복사열이 지구의 대기 를 뚫고 들어오면 지구의 표면을 따뜻하게 한다.
1. 대기의 조성분
1) 대기중의 성분
- 질소 : 약 79%, 산소 : 약 21%, 이산화탄소 : 약 0.03%(최근 0.036%)
- 그 밖에 수증기, 먼지, 연기의 입자, 미생물, 아황산가스와 기타 그리고 오염물질 등
- 일반적으로 대기 중의 가스 농도는 80km 고도까지 거의 같은 비율로 존재
2. 대기중의 이산화탄소와 작물
1) 이산화탄소
• 대기 중에 0.03% 함유
→ 생물권의 탄소순환을 위해 매우 중요한 의의
• 잎 주위 공기 중의 이산화탄소 농도가 현저히 낮으면 이산화탄소의 유출이 생긴다.
• C4식물에서는 광호흡이 없으므로 이와 같은 유출은 없다.
* 경지의 이산화탄소 환경
• 작물의 광합성 활동의 주기적 작용(일변화ㆍ연변화)에 의하여 상당히 변화
• 1일 중의 농도 변화는 약 800m의 높이까지 영향
* 이산화탄소 농도
• 겨울에 약 350ppm으로 높고, 여름에는 약 310ppm으로 낮다.
• 낮에는 군락에 가까울수록 농도가 낮고 밤에는 군락 내일수록 높다.
1) 호흡작용
대기 중의 이산화탄소 농도가 높아지면, 일반적으로 호흡 속도는 감소
이산화탄소의 농도가 10%에서 80%까지 증가하면, 호흡작용은 점차 저하
2) 광합성
• 공기 중의 이산화탄소 농도를 대기 중의 농도인 0.03% 보다 높여 주면 작물의 광합성이 증대
• 이산화탄소 농도 증가 → 광합성 속도 증가
• 어느 농도에 도달하면 이산화탄소 농도가 그 이상 증가하더라도 광합성 속도는 그 이상 증가하지 않는 상태에 도달
→ 이산화탄소 포화점
• 광합성 속도
이산화탄소 농도 뿐만 아니라 광의 강도도 관계
• 광합성에 대한 이산화탄소 농도와 온도의 관계
3) 탄산시비
• 작물환경으로서 이산화탄소 농도를 인위적으로 높여주는 것
• 작물생육의 원동력은 광합성이다.
• 광합성은 광도와 이산화탄소의 영향을 크게 받는다.
• 광합성에서 이산화탄소 포화점은 대기 중의 이산화탄소 농도보다 훨씬 높으며 또한 이산화탄소 농도를 높이면 광포화점도 높아지므로 대기 중의 이산화탄소 농도를 높이면 작물의 생육을 조장하게 된다.
• 작물의 이산화탄소 보상점과 이산화탄소 포화점
4) 탄산시비의 효과와 방법
* 탄산시비의 효과
• 오이·멜론·가지·토마토·고추 등의 열매채소에서 수량증대의 효과가 두드러지며, 셀러리 · 상추 · 부추 등의 잎채소류와 무와 같은 뿌리채소에서도 상당한 효과
• 개화기를 단축하고 꽃잎의 수를 크게 증가시키는 효과
• 국화 · 카네이션 등에서도 수량증대와 함께 절화의 품질을 향상시키고 절화 수명까지 연장시키는 효과
* 탄산시비의 방법
• 시설내에 유지되어야 할 이산화탄소의 농도는 다른 조건이 적당한 경우 대개 1,000~1,500ppm 정도이며, 경우에 따라서는 2,000ppm까지도 요구된다.
5) 이산화탄소 농도에 관여하는 요인
여러 가지 원예작물의 시설 내 이산화탄소 적정 농도
- 계절
식물 잎이 무성한 공기층은 여름철에 광합성이 왕성하여 이산화탄소의 농도가 낮고, 가을철에는 다시 높아진다.
- 지면과의 거리
지표로부터 멀어지면 이산화탄소의 농도는 낮아지는 경향이 있다.
- 식생
식생이 무성하면 뿌리의 호흡이 왕성하고, 바람을 막아서 지면에 가까운 공기층의 이산화탄소의 농도를 높게 하나, 지표에서 떨어진 공기층은 잎의 왕성한 광합성 때문에 이산화탄소의 농도가 낮아진다.
- 바람
바람은 공기 중의 이산화탄소 농도의 불균형 상태를 완화한다.
- 미숙유기물의 시용
미숙퇴비 · 낙엽 · 구비 · 녹비를 시용하면 이산화탄소의 발생이 많다.
3. 대기중의 산소와 질소
1) 산소
식물의 광합성작용과 호흡작용이 균형을 이루는 한 대기 중의 이산화탄소와 산소는 균형을 유지한다.
토양 중 또는 물 속에서는 산소농도가 낮고 다른 곳에서 보급이 급속히 이루어지지 않으므로 산소의 부족이 생명현상에 심각한 영향을 끼치는 경우가 종종 있다.
2) 질소
질소(N2)는 대기의 약 80%를 차지하며, 대기는 질소의 가장 큰 저장소이다.
대부분의 식물은 암모니아를 흡수할 수 없다. 이들은 아질산이온 (NO2-) 이나
질산이온 (NO3-) 상태의 질소만을 흡수한다. 질화(nitrification)라는 과정을
통하여 토양에서 질소고정세균에 의해 생성된 암모늄화합물은 아질산염으로,
그 다음에는 질산염으로 바뀐다.
3) 질소 – 질산화작용과 탈질작용
비료나 유기물로부터 유리된 NH4+은 질산화작용(窒酸化作用)을 통하여 NO3-으로 전환된다. 질산화작용은 질산화균(窒酸化菌)에 의하여 일어나는 2단계의 산화반응이다. NO3-은 매우 쉽게 작물이나 미생물이 이용하기도
하지만, 음이온이므로 토양에서 이동이 매우 빨라 쉽게 용탈되기도 하고 탈질반응을 통하여 손실된다.
질산화과정
탈질작용(脫窒作用)은 토양 내에 있는 탈질균(脫窒菌)에 의하여 NO3-이 여러 가지 질소산화물을 거쳐 최종적으로 N
2까지 전환되는 반응으로써 배수가 불량한 토양이나 산소가 부족한 토양조건에서 일어난다.
탈질과정
4. 바람
1) 연풍의 효과
풍속이 시간당 4~6km 이하의 바람을 연풍이라 한다.
• 연풍은 작물 주위의 습기를 배제하여 증산작용을 조장하고, 양분흡수를 증대시킨다.
• 잎을 동요시켜 그늘진 잎의 일사를 조장함으로써 광합성을 증대시킨다.
• 광합성이 왕성한 한낮에는 작물체 주위의 이산화탄소 농도가 감소하게 되는데 바람은 공기를 동요함으로써 이산화탄소 농도의 저하를 경감하고 광합성을 조장한다.
• 화분의 매개를 조장하여 풍매화의 결실을 좋게 한다.
• 한여름에는 기온과 지온을 낮게 하고, 봄ㆍ가을에는 서리를 막아 주고 수확물의 건조를 촉진하는 역할을 한다.
2) 풍해
* 직접적인 기계적 장해
• 바람이 강할 때에는 작물이 심하게 동요하므로 절손ㆍ열상ㆍ낙과ㆍ도복ㆍ탈립 등을 초래하는데 이들의 직접적인 기계적 장해는 2차적으로 병해ㆍ부패 등을 가져오기 쉽다. ( 절손 : 잘리는 것 열상 : 찢기는 것 낙과 : 떨어지는 것, 도복 : 쓰러지는 것, 탈립 : 이삭이 떨어지는 것
• 풍해는 풍속 및 습도와 깊은 관계가 있어 습도가 60% 이하일 때에는 풍속 10m/sec에 백수(白穗)가 생기지만, 습도가 80% 이상 일 때에는 20m/sec의 풍속에서도 백수가 생기지 않는다. 출수 후 3~4일경에 풍해를 만날 때 가장 피해가 심하다. (백수 : 병충해로 여물지 않은 이삭)
* 직접적인 생리적 장해
• 호흡의 증대
• 광합성의 감퇴
• 작물체의 건조
• 작물체온의 저하
• 염풍의 피해
5. 지구의 온난화
1) 지구온난화의 개념
온실벽을 유리나 플라스틱으로 만들어 태양의 복사열을 통과할 수 있게 하면, 햇빛에 의해 온실 안의 흙이 따뜻해 지고 이어 이 열로 공기도 따뜻해 진다. 온실 안의 공기가 열을 보관하는 역할을 하여 온실 안의 온도를 높여 준다.
이와 같이 온실에서 일어나는 현상이 지구에서도 일어나는데 이를 온실효과라 부른다.
2) 온실가스
지구표면에서 나온 열을 흡수하는 대기 중에 있는 가스를 온실가스라고 부른다.
온실효과의 원인이 되는 대기가스
이산화탄소(CO2), 메탄가스(CH4), 아산화질소(N2O), 염화불화탄소(CFCs) 등
* 이산화탄소
온실효과에 기여하는 비율이 가장 높다. 이산화탄소는 석유ㆍ석탄 등 화석연료
의 사용 증가, 산림파괴 등에 의하여 대기 중에 배출 되는데, 이중 약 48%가
대기 중에 축적되고 있다.
주요 온실가스와 그 특성
대기 중 이산화탄소 농도 변화
* BaU : 온실가스 배출량 전망치, IPCC : Intergovernment Panel on Climate Change : 기후변화에 관한 정부간 협의체
지구표면의 평균 기온변화
* 제로(0.0)선은 1961~1990년 까지의 지표면의 평균 온도이다.
지난 150년간 대기 이산화탄소 농도의 현저한 증가는 온실효과를 통해
기온에 영향을 줄 가능성이 있어, 생태학자들이 우려하고 있다.
<지구 대기의 온실효과>
<대기의 평균온도와 지구온난화의 예측>
3) 지구온난화가 생태계에 미치는 영향
1. 지구온난화는 강우의 지리적 분포를 변화시켜 주요 농업지대를 훨씬 더 건조하게 만들 것이다.
2. 지구온난화에 대한 가장 큰 걱정은 평균온도의 상승과 지구온난화로 많은 식물종이 살아남을 수 없을지도 모른다는 것이다.
3. 지구온난화의 영향으로 생태계의 천이가 일어나면 식물생태계의 경우 동백나무ㆍ신갈나무 등 난대ㆍ온대 수종은 생육 범위가 확장되나, 주목 등 아한대 수종은 기온 상승에 따라 급격하게 감소할 것으로 예상된다.
4. 생태전문가들은 먹이사슬 변화에 따른 자연의 혼란을 우려하고 있다.
연습문제
Q1 이산화탄소의 농도를 높여서 작물의 증수를 위한 시비 방법은?
1
엽면시비
2
질산시비
3
탄산시비
4
표층시비
정답 : 3
해설 : 탄산가스 시비는 유해가스가 동시에 발생할 수 있는 단점이 있다. 일출부터 환기할 때까지의 시간대에 1000~1500ppm의 탄산가스 농도를 유지, 공급한다.
Q2. 강풍에 의한 피해를 자주 입는 지역에서의 재배적 대책 중 거리가 먼 것은?
1
위험 태풍기에는 배수를 철저히 한다.
2
내도복성 품종을 선택한다.
3
작기를 이동한다.
4
태풍 후에는 반드시 병해충 방제를 실시한다.
정답 : 1
해설 : 강풍에는 방풍림설치, 지주설치 등으로 도복을 방지해야 한다.
Q3. 풍해는 어떤 경우에 작물에 피해를 심하게 주는가?
1
풍속이 크고 공기습도가 낮을 때
2
풍속이 크고 공기습도가 높을 때
3
풍속이 크고 온도가 높을 때
4
풍속이 크고 온도, 습도는 무관함
정답 : 1
해설 : 벼는 건조한 상태에서 강풍이 백수현상을 일으킨다.
Q4. 다음 토양미생물 중 자급 영양 세균으로서 아질산산화균은?
1
Azotomonas
2
Nitrosomonas
3
Nitrobacter
4
Clostridium
정답 : 3
해설 : 질산화균(窒酸化菌; nitrifying bacteria)은 전형적인 자급영양세균으로 암모니 아를 산화하여 에너지를 얻는다. 암모니아로부터의 질산의 생성(nitrification)은 두 단계의 반응을 거쳐서 일어난다. 첫 번째 단계에 관여하는 세균은 암모니아산화균이라고 하는데, NitrosomonasㆍNitrosococcusㆍNitrosospira 등이 이에 속하고, 두 번째 단계에 관여하는 세균을 아질산산화균(亞窒酸酸化菌; nitrite oxidizer)이라고 하는데, NitrobacterㆍNitrocystis 등이 이에 속한다. NO3-은 매우 쉽게 작물이나 미생물이 이용하기도 하지만, 음이온이므로 토양에서 이동이 매우 빨라 쉽게 용탈되기도 하고 탈질반응을 통하여 손실된다.
Q5. 논에 암모니아태질소를 사용하여 질화작용이 발생하는 경우에 대한 설명으로 옳은 것은?
1
탈질작용과는 관계가 없다.
2
암모니아화성균에 의해서 일어난다.
3
질산태질소는 토양교질에 흡착되지 않는다.
4
암모니아태질소를 환원층에 시용시 일어난다.
정답 : 3
해설 : 질소질비료 중 질산태질소는 토양입자에 잘 흡착되지 않아 유실되기 쉽고 논에 사용시 탈질작용이 일어나기 쉽다. 암모니아태질소를 산화층에 주면 질화균에 의해 질화작용을 받아 질산이 된다.
■ 핵심요약 정리
이산화탄소는 대기 중에 0.03%(최근 0.036%) 함유되어 있으며 생물권의 탄소순환을 위해 매우 중요한 의미를 가진다.
이산화탄소의 농도는 낮에는 군락에 가까울수록 농도가 낮고 밤에는 군락 내일수록 높다.
이산화탄소 포화점은 대기 중의 이산화탄소 농도가 증가할수록 광합성 속도도 증가하다가 어느 농도에 도달하면 이산화탄소 농도가 그 이상 증가하더라도 광합성 속도는 그 이상 증가하지 않는 상태를 말한다.
탄산시비란 작물환경으로서 이산화탄소 농도를 인위적으로 높여주는 것이다.
이산화탄소 농도에 관여하는 요인은 계절, 지면과의 거리, 식생, 바람, 미숙유기물의 시용 등이다.
대기 중의 이산화탄소 농도가 높아지면 일반적으로 호흡 속도는 감소한다.
연풍의 장점은 증산작용을 조장하고, 양분흡수 및 광합성을 증대시킨다. 풍매화의 결실을 좋게하고 한여름에는 기온과 지온을 낮게 하고, 봄ㆍ가을에는 서리를 막아주고 수확물의 건조를 촉진하는 역할을 한다.
연풍의 단점은 잡초의 씨나 병균을 전파하고, 건조할 때는 더욱 건조상태를 조장하며, 저온의
바람은 작물체에 냉해를 유발하기도 한다.
연풍의 장점은 증산작용을 조장하고, 양분흡수 및 광합성을 증대시킨다. 풍매화의 결실을 좋게 하고 한여름에는 기온과 지온을 낮게 하고, 봄ㆍ가을에는 서리를 막아주고 수확물의 건조를 촉진하는 역할을 한다.
풍해의 생리적 장해는 호흡의 증대, 광합성의 감퇴, 작물체의 건조 및 작물체온의 저하와 염풍의 피해이다.
지구온난화로 동백나무ㆍ신갈나무 등 난대 ㆍ온대 수종은 생육 범위가 확장되나, 주목 등
아한대 수종은 기온상승에 따라 감소할 것이다.
■ 단원 정리하기
- 대기 중의 성분은 질소가 약 79%, 산소가 약 21%, 이산화탄소가 약 0.03%이며 기타 수증기, 먼지, 미생물, 화분, 유해오염 물질로 구성되어 있다. 대기의 이산화 탄소농도가 높아지면 식물의 호흡은 억제되고 광합성은 증대된다. 시설원예에서 이산화탄소농도를 인위적으로 높여 주기 위해 액체 이산화탄소를 시용하는 것을 탄산시비라고 한다.
- 바람의 이점은 증산작용을 자극하여 기공을 통한 이산화탄소의 확산으로 광합성이 증대되고, 이산화탄소농도 분포의 균일화로 광합성이 증대되는 것이다. 또 화분의 매개, 서리조정, 건조촉진 등도 이점으로 꼽는다. 바람의 해는 도복ㆍ낙과ㆍ절상 등의 기계적 장해, 호흡 증대ㆍ광합성 감퇴ㆍ작물체의 건조ㆍ체온 강하ㆍ염풍의 피해 등의 생리적 장해로 구분할 수 있다.
- 지구의 온도가 상승함에 따라 생물의 호흡량이 늘어날 뿐만 아니라 온도상승으로 인해 토양과 숲속에 저장되어 있던 탄소가 이산화탄소(CCO2) 또는 메탄(CH4)의 형태로 대기 중으로 배출되어 대기 중에 이들의 가스가 더욱 많아지게 되어 생태계 패턴에 큰 변화를 준다. 기후온난화는 농업지대를 더욱 건조하게 할 가능성이 있고, 생물다양성 측면에서 많은 종이 살아남을 수 없게 될지도 모른다.
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